[科普中国]-变压式吸附法

变压吸附法由于具有能耗低、工艺流程简单、自动化程度高、操作方便、常温下可连续运行等显著特点，因此被认为是目前最具有发展前景的瓦斯富集分离技术。也常用于二氧化碳等气体的吸附除去。

变压吸附分离原理及过程变压吸附分离的原理是通过控制压力的升降来实现吸附和脱附过程的。当升压时，在高压下吸附剂首先吸附混合气中的强吸附组分，当吸附饱和后，吸附塔则进入再生过程，通过降压将吸附质从吸附床中解吸出来，未被吸附组分则通过吸附层被排出。由于不同气体吸附和解吸特性不同，在压力周期性的变化过程中可以实现分离。

由于单塔操作吸附分离过程是间歇的，因此为了连续操作，工业上通常采用两塔或多塔吸附，使吸附塔中吸附剂的吸附和再生交替进行。1

变压吸附法分离瓦斯吸附剂的研究进展变压吸附技术的关键是开发性能优良的吸附剂。由于乏风瓦斯气体中CH4的含量很小，而O2和N2的含量却很大，因此需要研制针对CH4/O2和CH4/N2富集分离的高性能吸附剂。目前国内外常用于分离CH4/N2混合二元体系的吸附剂主要包括炭吸附材料、硅铝分子筛、介孔分子筛、钛硅分子筛、金属有机骨架材料等。相比而言，硅铝分子筛对甲烷吸附分离的性能较低，较大孔径的介孔分子筛需要修饰后才能应用，钛硅分子筛虽然有些已经商业化应用，但用于分离和富集乏风瓦斯的吸附剂还未见报道，金属有机骨架材料虽然具有比表面积大和孔道结构规则的优势，但还停留在实验室研究。而炭吸附材料由于表面具有疏水性，吸附非极性分子CH4受水的影响小，因此炭材料在天然气浓缩研究中被广泛用作吸附剂。除此以外，炭材料还具有比表面积大、孔隙结构发达、化学性能稳定、耐酸碱、机械强度较高、再生容易、成本低等优点。2

变压吸附法分离瓦斯操作条件的研究进展在变压吸附法分离瓦斯过程中，主要的操作条件包括半周期、均压流程及吸附压力和解吸压力。

1)半周期。

半周期是影响吸附效果的最重要操作参数之一。当原料气从底部进入吸附塔内时，CH4气体被快速吸附在吸附剂上。当半周期增大时，吸附时间也增加，通入的原料气越多，在吸附剂上被吸附的CH4量就越多，解吸获得的产品气中CH4体积分数就越大;当半周期超过吸附平衡时间后，通入的CH4量超过吸附剂的饱和吸附量，过量的CH4会随着排放气排掉，在解吸时即使再增加抽真空时间，解吸的产品气中CH4的体积分数也不会增大。因此，产品气中CH4体积分数会随着半周期的增大而增大，但当半周期超过吸附平衡时间后，趋于稳定。

由吸附理论可知，在压力一定的情况下，原料气进入吸附塔后吸附剂快速吸附CH4气体，达到吸附塔的饱和吸附量。随着半周期增大，吸附时间增加，更多的原料气进入吸附塔，更多的CH4被吸附剂吸附，因此解吸气中CH4体积分数越大;而当半周期超过吸附平衡时间后，随原料气进入的CH4量超过吸附剂的饱和吸附能力，当吸附剂达到饱和后，即使再增加抽真空时间，解吸气CH4含量也只能维持恒定的水平。因此，在适当的范围内产品气的CH4体积分数随着半周期的增加而增加。

2)均压流程。

均压流程是影响吸附效果的另一个最重要操作参数。按照均压流程中两塔接通的方式不同，可分为上均压、下均压、同时均压，不同均压方式对解吸效果产生的影响也不一样。由于上均压是顺放过程，此时弱吸附组分从吸附塔上端流出，使得吸附塔中强吸附组分增加，因此解吸气中强吸附组分体积分数较大。下均压时只有少部分含CH4体积分数较低的空气和原料气流出吸附塔，解吸气中CH4体积分数相对较低。因此均压流程对CH4分离的效果是：上均压> 同时均压> 下均压。均压时间使均压过程能够让吸附塔的压力快速升高，同时还能回收部分的产品气和机械能，提高CH4体积分数。产品气CH4体积分数随着均压时间的增加先增大后减小。

3)吸附压力和解吸压力。

吸附压力是变压吸附过程中极为重要的参数，直接影响吸附剂对气体的吸附量，从而影响到整个系统的运行效果。随着吸附压力增大，N2和CH4的吸附量随之增大，CH4与N2的吸附量的差值也越大，因此可以通过改变吸附压力的大小来改变产品气中CH4的体积分数。吸附压力大小可以通过节流子的孔径控制来实现，节流子的孔径越小，吸附塔的吸附压力越大，显著增加了吸附剂对CH4的饱和吸附量，在相同的真空度下解吸出的产品气中 CH4体积分数也增大很多。因此，为了获得较高产品气CH4的体积分数，可以采用通过减小节流子孔径而增大吸附压力的方法。但随着吸附压力的增加，能耗也将显著增加。因此，要根据能耗指标，通过选取合适的节流子孔径来控制合适的吸附压力。随着解吸压力的降低，产品气中CH4的体积分数也增大，但当解吸压力越小时，解吸的能耗会越高，因此需要选择合适的解吸压力。12

本词条内容贡献者为:

李斌 - 副教授 - 西南大学